【正文】 ，它取決于用戶需要，其大小可以通過閥門 2 的開度來改變。 來實現(xiàn)水箱液位 控制系統(tǒng)仿真 研究 [7]。水箱液位的控制作為過程控制的一種 ,由 于其自身存在滯后 ,對象隨負(fù)荷變化而表現(xiàn)非線性特性及控制系統(tǒng)比較復(fù)雜的特點 ,傳統(tǒng)的控制不能達(dá)到滿意的控制效果。 對于一個已經(jīng)設(shè)計并安裝就緒的控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)器參數(shù)（δ、 Ti、 Td）的調(diào)整，使得系統(tǒng)的過渡過程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求 [6]。系統(tǒng)整定的實質(zhì)， 就是通過調(diào)整調(diào)節(jié)器的這些參數(shù)，使其特性與被控對象特性相匹配，來改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性，以達(dá)到最佳的控制效果。因此，只能說在一定范圍內(nèi)， 控制 器參數(shù)整定合適與否，對控制質(zhì)量具有重要的影響。但是，決不能因此而認(rèn)為控制器參數(shù)整定是萬能的。一旦系統(tǒng)按所設(shè)計的方案安裝就緒，對 象特性與干擾位置等基本上都已固定下來，這時候系統(tǒng)的質(zhì)量主要取決于控制器參數(shù)整定了。當(dāng)τ /T 時，選擇比例或比例積分動作；當(dāng) τ /T≤ 時，選擇比例微分或比例積分微分動作；當(dāng)τ /T 時，采用簡單控制系統(tǒng)往往不能滿足控制要求，應(yīng)選用如串級、前饋等復(fù)雜控制系統(tǒng)。 4) 當(dāng)廣義對象控制通道時間常數(shù)或容積延遲很大，負(fù)荷變化亦很大時，簡單 控制系統(tǒng)已不能滿足要求，應(yīng)設(shè)計復(fù)雜控制系統(tǒng)。如管道壓力和流量的控制。如溫度、成分、 pH 值控制等。 基本原則： (1) 廣義對象控制通道時間常數(shù)較大或容積延遲較大時，應(yīng)引入微分動作。但 Kd過大，則會使響應(yīng)過程過分提前制動，從而延長調(diào)節(jié)時間，而且統(tǒng)的抗干擾性能較差。 微分系數(shù) Kd, 作用在于改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。 積分系數(shù) Ki, 作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。 控制器參數(shù)對系統(tǒng)的影響 比例系數(shù) Kp ， 作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。但是 τ c 的影響比純滯后 τ c 對系統(tǒng)的影響緩和。因此，控制通道純滯后的存在，對控制質(zhì)量起著很壞的影響，會嚴(yán)重地降低控制質(zhì)量。這是因為純滯后的存在，使得調(diào)節(jié)器不能及時獲得控制作用效果的反饋信息，會使調(diào)節(jié)器出現(xiàn)失控。它們對控制質(zhì)量的影響不利，尤其是τ 0的影響最壞。大多數(shù)流量控制系統(tǒng)的流量記錄曲線波動得都比較厲害，就是由于流量對象時間常數(shù)比較小的緣故。然而也不是控制通道時間常數(shù)愈小愈好。 (2)時間常數(shù) T0的影響 控制 通道時間常數(shù)愈大，經(jīng)過的容量數(shù)愈多，系統(tǒng)的工作頻率將愈低，控制愈不及時，過渡過程時間也愈長，系統(tǒng)的質(zhì)量愈低。因為當(dāng) ? 小于 3％時，調(diào)節(jié)器則相當(dāng)于一位式調(diào)節(jié)器，已失去作為連續(xù)調(diào)節(jié)器的作用。 ? 大比較容易調(diào)整。 然而，從控制角度看， 0K 愈大，則表示控制參數(shù)對被控參數(shù)的影響愈大，這表示通 過對它的調(diào)節(jié)來克服干擾影響更為有效。即在一定穩(wěn)定性前提下，系統(tǒng)的控制質(zhì)量與控制通道放大倍數(shù)無關(guān)。因為，對一個控制系統(tǒng)來 說，在一定的穩(wěn)定程度（即一定的衰減比）情況下，系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)是一個常數(shù)，即constKKC ?? 0 ，這樣才能維持系統(tǒng)具有相同的穩(wěn)定程度。從靜態(tài)方面分析，由式 )1()( 0KKKy Cf ??? ，似乎可以得出當(dāng) fK 、 CK 不變時，控制通道放大倍數(shù) 0K愈大，系統(tǒng)的余差愈小的結(jié)論。即當(dāng)有純滯后時，干擾對被控參數(shù)的影響要向后推遲一個純滯后時間 f? 。 干擾通道時間常數(shù) fT 越大，個數(shù)越多，或者說干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置越遠(yuǎn)離被控參數(shù)而靠近調(diào)節(jié)閥，干擾對被控參數(shù)的影響就越小，系統(tǒng)的控制質(zhì)量就越高。這種按外擾信號實施前饋控制的方式稱為擾動控制，按不變性原理，理論上可做到完全消除主擾動對系統(tǒng)輸出的影響 [2]。由于按偏差確定控制作用以使輸出量保持其在期望值的反饋控制系統(tǒng)，對于滯后較大的控制對象，其反 饋控制作用不能及時影響系統(tǒng)的輸出，以致引起輸出量的過大波動，直接影響控制品質(zhì)。 利用輸入或擾動信號的直接控制作用構(gòu)成的開環(huán)控制系統(tǒng)。為了解決這一局限性，可以將前饋與反饋結(jié)合起 來使用，構(gòu)成所謂前饋 — 反饋控制系統(tǒng)。其次，由于實際工業(yè)對象存在著多個干擾 ，為補償它們對被控變量的影響，勢必要設(shè)計多個前饋通道，這就增加了投資費用和維護(hù)工作量。 由于前饋控制作用是按干擾進(jìn)行工作的，而且整個系統(tǒng)是開環(huán)的，因此根據(jù)一種干擾設(shè)置的前饋控制只能克服這一干擾，而對于其他干擾，由于這個前饋控制器無法感受到也就無能為力了。 如果擾動是可測可控的，則只要設(shè)計一個定值控制系統(tǒng)就行了，如果擾動是不可測的，那就不能進(jìn)行前饋控制；如果擾動是可測而不可控的，則可設(shè)計和應(yīng)用前饋控制。 (4)前饋控制只能抑制可測而不可控的擾動對被調(diào)參數(shù)的影響。 (2)前饋控制是一種開環(huán)控制，控制效果得不到檢驗。 前饋控制系統(tǒng) 下圖 為前饋控制系統(tǒng)方塊圖。 一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。 整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。 串級控制系統(tǒng) 串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。它能夠抵制施加在系統(tǒng)上的干擾因素 ， 系統(tǒng)過渡過程具有過渡時間較小、最大偏差較小、系統(tǒng)穩(wěn)定性較高等特點 。再所有反饋控制系統(tǒng)中，單回路反饋控制系統(tǒng)是最基本、結(jié)構(gòu)最簡單的一種，因 此，它又稱為簡單控制系統(tǒng)。 (3)運行仿真模型，進(jìn)行仿真實驗，再根據(jù)仿真實驗的結(jié)果，進(jìn)一步修正系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和仿真模型 [5]。 (2)建立系統(tǒng)的仿真模型，即設(shè)計算法，并用計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。 控制系統(tǒng)仿真的一般步驟 (1)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 Simulink包括一個由信號源、接受器、線性和非線性組件以及中間的連接器件組成的 模塊 庫，同時可以根據(jù)用戶自己的需要創(chuàng)建相應(yīng)的模塊。 對于建模， Simulink提供了一個圖形化的用戶界面 (GUI)，可以直接用鼠標(biāo)點擊和拖 拉模塊的圖標(biāo)建模。 Simulink模型可以用來模擬幾乎所有可遇到的動態(tài)系統(tǒng)，如模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或者兩者的混合系統(tǒng)。 Simulink本身就是一種用來實現(xiàn)計算機(jī)仿真的軟件工具，它是 MATLAB的一個附加組件，用來提供一個系統(tǒng)級的建 模與動態(tài)仿真的工具平臺； 用模塊組合的方法使用戶能夠快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機(jī)模型。 動態(tài)系統(tǒng)軟件包 Simulink 簡介 Simulink是運行在 MATLAB環(huán)境下，用于建模、仿真和分析動態(tài)系統(tǒng)的軟件包，如圖 Simulink軟件系統(tǒng)組成。甚至加入自己的函數(shù)。 MATLAB不但在數(shù)字語言的表達(dá)與解釋方面表現(xiàn)出人 — 機(jī)交互高度一致。顯示出如此旺盛的生命力， MATLAB有其不同于其 它語言的特點。 1992年的 Math Works公司推出了交互式模型輸人與模擬環(huán)境動態(tài)系統(tǒng)軟件（ SIMULNK），使得 MATLAB在自動控制系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用得到很大發(fā)展。 矩陣實驗室 Matlab 簡介 矩陣實驗室 (MATLAB)語言是 Mathworks公司于 1982年推出的， 它集數(shù)值分析、信號處理、系統(tǒng)控制和圖形處理于一體，構(gòu)成了一個方便的界面友好的用戶環(huán)境。第三階段是高級階段，目前正在來到 [2]。由于采用了分散 結(jié)構(gòu)和冗余等技術(shù)，使系統(tǒng)的可靠性極高，再加上硬件方面的開放式框架和軟件方面的模塊化形式，使得它組態(tài)、 擴(kuò)展極為方便，還有眾多的控制算法 (幾十至上百種 ) 、較好的人 —機(jī)界面和故障檢測報告功能。 1975 年，世界上第一臺分散控制系統(tǒng)在美國 Honeywell 公司問世，從而揭開了過程控制嶄新的一頁。這階段的建模理論、在線辨識和實時控制已突破前期 形式，繼而涌現(xiàn)了大量的先進(jìn)控制系統(tǒng)和高級控制策略，如克服對象特性時變和環(huán)境干擾等不確定影響 的自適應(yīng)控制，消除因模型失配而產(chǎn)生不良影響的預(yù)測控制等。這與當(dāng)時生產(chǎn)水平是相適應(yīng)的。其中70 年代既是古典控制應(yīng)用發(fā)展的鼎盛時期，又是現(xiàn)代控制應(yīng)用發(fā)展的初期， 90 年代初既是現(xiàn)代控制應(yīng)用發(fā)展的繁榮時期，又是高級控制發(fā)展的初期。在自動控制時期內(nèi)，過程控制系統(tǒng) 又經(jīng)歷了三個發(fā)展階段 , 它們是：分散控制階段 , 集中控制階段和集散控制階段。在本世紀(jì) 30 年代就已有應(yīng)用。通過對過程參量的控制，可使生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高和能耗減少 [1]。這里 “過程 ”是指在生產(chǎn)裝置或設(shè)備中進(jìn)行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)換過程。 Water tanks。 Matlab。在 軟件包 Simulink 中 搭建了單回路、串級、前饋 — 反饋控制系統(tǒng)模型， 分別采用 常規(guī) 的 PID、實際 PID 和 Smith 預(yù)估器 對系統(tǒng) 進(jìn)行了仿真研究 ， 通過 仿真 曲線的 比較 ，分析了 各 種控制系統(tǒng)的 特點 。 通過對仿真曲線的研究，分析了 控制器參數(shù)對系統(tǒng) 過渡過程 的影響。 在水箱液位控制系統(tǒng)中， 通過建立數(shù)學(xué)模型以及實驗中對實驗數(shù)據(jù)的分析，分別確定了單 容 、雙 容 、三容水箱對象的傳遞函數(shù)。 畢業(yè)設(shè)計論文 基于 MATLAB 的過程控制系統(tǒng)仿真研究 摘 要 水箱和換熱器是過程控制中的典型對象， 本設(shè)計主要以水箱液位控制系統(tǒng)和換熱器溫度控制系統(tǒng) 為例， 通過建立數(shù)學(xué)模型，確定對象的傳遞函數(shù)。 利用 Matlab 的 Simulink軟件包 對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，并 對仿真結(jié)果 進(jìn)行了深入的分析 。 在 simulink 軟件包 中 建立了 各系統(tǒng) 的仿真模型。 在換熱器溫度控制系統(tǒng)中， 根據(jù)自動控制系統(tǒng)工藝過程 ，利用降階法確定了對象的傳遞函數(shù)。 關(guān)鍵詞： 過程控制； MATLAB；仿真；水箱；換熱器 Simulation and Research of Process Contro1 System Based on MATLAB Abstract Water tank and Heat exchanger are typical object in the process control in the design,The control system of tank level and heat interchange is used as an transfer function object is defined by setting up the mathematical carry on simulation research on the system by using Matlab’s simulink deeply analyze the result of the simulation. In the system, which control the level of the tank. The transfer function of a singletank, doubletank, threetank is defined by setting up mathematical model and analyzing date. Simulation model of all system set up simulink simulation. The effect that controller parameter poses on the system is analyzed through the research on the simulation cuvers. In the control system of heat inter change. The design uses reduction method and defines the transfer function of the to the technical process in the automatic control system model of single loop, cascade, feed forwardfeedback is established. Simulation research on there system is carried on through using conventional PID, the actual PID and Smith predictor , While the characteristics those control system are pared. Key words: Process Control。 Simulation。 Heat exchanger 目 錄 摘 要 ........................................................................................................................................ II Abstract......................................................................................................................................III 第一章 引 言 ............................................................................................................................ 1 過程控制簡介 .................................................